福州市甘洪路改建排涝站(闸)工程基坑支护计算分析

向春汉

(福州润禹工程咨询有限公司，福建 福州 350001 )

0 引言

福州市甘洪路拓宽改建项目地处洪山桥至闽侯县原甘洪路，甘洪路起于杨桥路-洪水交叉口，途径梅峰路、梅亭路、原厝路、东北三环甘洪连接线，终点位于闽侯永丰，道路全长约4.163 km。区域地处中低纬度，东濒太平洋，属亚热带季风气候，台风频繁，台风带来的降雨量大，极易引发大洪水造成内涝。以前的公共河浦、池塘被填方建房，地面硬化，渗水小，涝水多滞留路面上。全区的排涝设施排涝能力严重不足(包括排涝站、水闸、涵洞)。现有排涝设施主要由五、六十年代修建的排水闸、排涝站，以自排为主，机排为辅，原是以农田为排涝对象，经过三、四十年的运行，工程破损老化严重。通过进行改建工程实施，可加大各涝片排水出口宽度(进行水闸、泵站重建)，解决出水不畅的问题，同时在地形标高低洼的涝片设置泵站，使各涝区达到设计涝水标准。在改建工程实施前，进行场地勘察，查明场址区的工程地质条件，评价存在的工程地质问题，能为改扩建工程实施过程中的建筑物设计和地基处理方案提供地质资料和基础支撑依据。

1 改建排涝站(闸)工程概况

甘洪路拓宽改建工程共涉及国光排涝站(闸)和洪山粮库排涝站(闸)等两个部分，排涝站(闸)的建筑物主要包括排涝闸及其上下游连接段、排涝站进水前池、排涝站主泵房以及出水钢管等。其中，国光排涝站的设计抽排流量为6.4 m3/s，装机功率2×250 kW。根据《泵站设计规范》(GB50265-2010)规定，国光排涝站规模为小(1)型，泵站等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。洪水粮库排涝站的设计抽排流量为1.2 m3/s，装机功率2×22 kW。根据《泵站设计规范》(GB50265-2010)规定，规模为小(2)型，泵站等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，次要建筑物为5级。

国光排涝闸5 a一遇的的设计排水流量为29.9 m3/s，过闸流量小于100 m3/s；洪山粮库排涝闸5 a一遇的的设计排水流量为9.2 m3/s，过闸流量小于20 m3/s。本工程排涝闸又作为闽江下游北港北岸防洪堤的直接挡洪建筑物，参照相邻的福州城区防洪堤的设计防洪标准(100 a一遇)，国光排涝闸及洪山粮库排涝闸防洪标准为100 a一遇设计。排涝闸工程主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。

2 工程布置概况

本工程国光排涝站(闸)施工条件较为复杂，基坑深度大，本次计算针对其基坑支护的设计进行分析计算。

国光排涝站(闸)为旧站(闸)改建，原站址位于大儒世家附近，梅亭路与甘洪路交叉路口的北侧，主泵房采用全封闭钢筋混凝土结构，半埋入地下，共两台水泵，平面尺寸(宽×长)9.20 m×10.00 m，泵房底板底高程1.50 m，各台水泵间由隔墩隔开，主泵房地基采用D600高压旋喷桩加固基础。国光排涝闸为2孔，孔口尺寸(宽×高)3.0 m×4.7 m，闸室段长10.0 m，闸底板顶高程4.50 m，为钢筋混凝土结构，闸室上部设置启闭机房，采用框架式结构。出水消力池为水闸和泵站共用，长15.0 m，宽10.50 m，池底高程3.20 m。

由于排涝站四周用地均非常紧张，且北面和东面有居民建筑物，无法采取放坡开挖方式，基础开挖后基坑最大深度为7.6 m，属于深基坑开挖，经过方案比对后选用悬臂式支挡结构，采用冲孔灌注桩对基坑进行围封，桩基直径0.8 m，桩中心间距1.0 m，最大桩长20.2 m，其中悬臂露出长度为7.6 m，嵌固深度为12.6 m，在桩顶采用冠梁进行连接，将排桩形成整体，增大结构的稳定性，冠梁梁宽1.0 mm,梁1.0 m。为防止桩基之间渗水，在灌注桩外侧采用高压旋喷桩封闭，桩径0.5 m，中心间距1.0 m。为保证悬臂结构的稳定，在灌注桩内侧，采用水泥搅拌桩，对土体进行加固，加固宽度2.0 m，深度3.0 m，沿基坑底部一周加固。

3 工程地质条件特性及评价

3.1 地基土层工程地质特性及评价

根据工程地质钻孔，国光排涝站基础分布的土层主要为：(1)杂填土、(2)淤泥、(3)粉质粘土，(4)强风化碎土状花岗岩，此其中前两种土层承载力低，结构、工程性状不均匀，属高压缩性土，工程力学性能差，不能作为基础持力层；粘性土承载力特征值为150 kPa，属中压缩性土，承载力一般，工程力学性能一般，分布较均匀；强风化碎土状花岗岩工程力学性能较好，可作为基础持力层。从上至下土层分布及特征参数见表1。

表1 岩土层分布及主要工程地质参数表

3.2 地基土层渗透特性及评价

(1)杂填土属于中等透水性，可能产生的渗透变形形式为管涌，其允许水力比降J允许=0.17。(2)淤泥渗透系数小于1.0×10-5cm/s，属于微透水性，可能产生的渗透变形形式为流土；(3)粉质粘土渗透系数小于1.0×10-4cm/s，属于弱透水性，可能产生的渗透变形形式为流土。(3)淤泥允许水力比降J允许=0.47，(4)粉质粘土允许水力比降J允许=0.61。

3.3 基坑开挖地质条件初步评价

结合工程设计，国光排涝站基坑最深处须开挖至高程1.00 m，按现有地面开挖，深度约为4.5～7.6 m，开挖深度较深，组成基坑的土层主要为杂填土、素填土及淤泥等，结构较松散，渗透系数较大，呈中等透水性，该地段土层在水的浸泡下，开挖范围内基坑侧壁土层稳定性极差，基础开挖过程中，在地下水渗透力的作用下会产生流沙、流泥、涌土等现象。因此基坑的渗漏、抗渗稳定以及基坑边坡稳定是施工中遇到的主要工程地质问题，建议进行基坑支护与防渗及降水处理，以满足抗滑和渗透稳定性要求，为工程创造良好的施工条件。

同时基坑支护结构、施工方法、支护监测控制是相互连接、密不可分的。基坑开挖时应加强对基坑位移、周边建筑物及构筑物监测，以保证基坑的正常施工及控制对临近建(构)筑物的影响。

4 基坑支护计算分析

根据基坑设计情况，选择基坑深度最大处进行计算分析，冲孔灌注桩直径0.8 m，桩中心间距1.0 m，最大桩长20.2 m，其中悬臂露出长度为7.6 m，嵌固深度为12.6 m，在桩顶采用冠梁进行连接。本次计算采用理正深基坑7.0计算软件。

4.1 荷载受力计算

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)3.4条，支护结构上的水平荷载计算

σcz=rz；σ=rh

(1)

(2)

(3)

Q=∑P水平

(4)

式中：σcz为侧向土压力；σ为水压力；M为弯矩；V为位移；Q为剪力；r为土体的重度，KN/m3；Z为计算点距离地表的深度；r为水的容重，KN/m3；h为水深；M(x)为中轴线方向弯矩；EIz为杆件抗弯刚度；C、D由边界条件确定；P水平为水平力总和。

经计算，基坑内荷载情况见表2。

表2 基坑荷载计算表

4.2 单桩水平承载力计算

灌注桩单桩水平承载力设计值按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)(5.4.2-1)估算：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Rh为单桩水平承载力设计值；γm为桩截面模量塑性系数，圆形截面取值为2.0；ft为桩身混凝土抗拉强度设计值,C30混凝土ft=1.43 N/mm2=14 300 kN/m2；ρg为桩身配筋率，该桩为0.55%；Vm为桩身最大弯矩系数查《建筑桩基技术规范》表5.4.2,当桩顶饺接、自由时得Vm=0.768，Vx=2.441；α为桩的水平变形系数；m为地基土水平抗力系数的比例系数由《建筑桩基技术规范》5.7.5取m值为7.0；b0为桩身计算宽度,圆形截面,b0=0.9(d+1.0) =1.62 m；EI为桩身抗弯刚度,EI=0.85EcIo；Ec为混凝土弹性模量,C30, Ec=2.80×104N/mm2=2.80×107kN/m2；Io为桩身换算截面惯性矩,Io=Wod/2；Wo为桩身换算截面受拉边缘的截面模量；do为扣除保护层的桩直径,d=0.8 m,do=d·2as=0.73 m；αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值；An为桩身换算面积；ζn为桩顶竖向力影响系数，竖向压力,ζn=0.5。

计算得出，单桩水平承载力设计值为：Rh=547.32 KN，根据荷载计算成果，基坑最大水平力P水平=169.95 KN，Rh≥P=203.94 KN，桩基单桩水平承载力满足要求。

4.3 整体滑动稳定性验算

本次基坑支护采用单排桩设计，桩基采用冠梁连接为整体，根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)4.2.2条，整体滑动稳定性采用圆弧滑动条分法进行验算，具体计算方法采用瑞典条分法，应力状态：总应力法，其中条分法中的土条宽度取0.40 m。

通过软件计算计算，得出滑裂面数据圆弧半径R=20.810 m，整体稳定安全系数Ks=1.467，大于规范要求安全系数1.30，表示整体滑动稳定性满足规范要求。

4.4 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆安全系数：

(9)

式中：Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值，根据计算得出为最小值7 019.89 KN·m；Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩，最大值为5 576.38 KN·m。

计算得出，最小抗倾覆安全系数为1.258，大于规范要求的最小安全系数1.2，基坑支护排桩整体抗倾覆满足要求。

4.5 抗隆起验算

基坑抗隆起验算分别采用Prandtl(普朗德尔)公式和Terzaghi(太沙基)公式进行验算复核，须保证两者都要满足要求。

4.5.1 Prandtl(普朗德尔)公式

(10)

(11)

(12)

通过计算，Nq=2.417，Nc=8.345，Ks=1.714≥1.1，满足规范要求。

4.5.2 Terzaghi (太沙基)公式

(13)

(14)

(15)

通过计算，Nq=2.694，Nc=9.605，Ks=1.885≥1.15，满足规范要求。

通过分析计算，采用两种公式计算，基坑底抗隆起验算均满足规范要求。

4.6 隆起量计算

(16)

式中：δ为基坑底面向上位移(min);n为从基坑顶面到基坑底面处的土层层数；γi为第i层土的重度(kN/m3)；地下水位以上取土的天然重度(kN/m3)；地下水位以下取土的饱 和重度(kN/m3);hi为第i层土的厚度(m);q为基坑顶面的地面超载(kPa)；D为桩(墙)的嵌入长度(m);H为基坑的开挖深度(m);c为桩(墙)底面处土层的粘聚力(kPa);φ为桩(墙)底面处土层的内摩擦角(度)；r为桩(墙)顶面到底处各土层的加权平均重度(kN/m3);

计算得：δ= 46(mm)

4.7 基坑底部土体抗承压水头稳定计算

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)附录c，渗透稳定性验算，基坑底部土体抗承压水头稳定计算简图见图1。

图1 抗承压水头稳定计算简图

(17)

式中：Pcz为基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的自重压力(kN/m2)；Pwy为承压水层的水头压力(kN/m2);Ky为抗承压水头的稳定性安全系数，取1.5。

Ky=34.00/30.00=1.13≥1.05，基坑底部土体抗承压水头稳定。

4.8 桩基嵌固深度计算

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)4.2.5条，根据单支点结构计算支点力和嵌固深度设计值hd：

(1)按ea1k=ep1k确定出支护结构弯矩零点hc1=1.037

(2)支点力Tc1可按下式计算：

(18)

hT1=6.600 m；Tc1=121.800 kN

(3)hd按公式：hp∑Epj+Tc1(hT1+hd)-βγ0ha∑Eai≥0确定

其中β=1.200，γ0=1.000；hp=3.825 m，∑Epj=1 587.008 kPa；ha=6.963 m，∑Eai=965.572 kPa

计算得到hd=9.937 m，考虑到土层分布及安全系数，嵌固深度hd采用值为12.60 m。

5 结语

基坑开挖作为工程施工的第一步，是保证后续工程能安全顺利进行的第一个难点。本次国光排涝站(闸)基坑具有深度大、土层复杂、场地受限等特点，基坑稳定及渗流问题较为突出。设计通过对基坑排桩的单桩承载力、整体抗滑及抗倾覆稳定、基坑抗隆起分析，对基坑排桩的嵌固深度进行设计及复核，经过合理分析计算后，基坑的安全性满足要求。同事为了节约工程投资，采用永临结合的方式，后期基坑支护排桩面层进行加固后作为出水池墙体，将部分临时建筑物与永久建筑物结合起来，取得了不错的效果，同时节约了工程投资。国光排涝站(闸)已于2019年7月竣工验收，工程整体经历过两个汛期的考验，目前运行情况良好，是国光片区的防洪排涝体系不可缺少的重要组成部分。